O Mundo das Partículas
Brian Southworth
Georges Boixader
O Mundo das Partículas
De que é feito o nosso Universo
De onde vem?
Porque se comporta assim?
Não temos ainda as respostas para estas perguntas, no entanto, nos últimos anos temos descoberto uma grande
quantidade de informação sobre o Universo que nos rodeia.
Esta pesquisa tem-nos revelado que, para além da evidência daquilo que os nossos olhos permitem ver, há um mundo
diferente de partículas minúsculas e mensageiros que viajam entre elas … mudando constantemente no espaço, no tempo
e na energia. Este livro de banda desenhada apresenta o fascinante mundo das partículas e parte do seu maravilhoso
comportamento.
Um dos laboratórios onde se fazem pesquisas relacionadas com as partículas, é o CERN, O Laboratório Europeu de Física
de Partículas.
Apresentaremos aqui, as poderosas máquinas do CERN: os aceleradores e os detectores, máquinas onde se criam e
estudam as partículas.
Assim, sem mais preâmbulos, vamos às partículas …
Capítulo 1
Partículas
Fundamentais e
Interacções
O CERN continua a tradição de observar o
nosso mundo e procurar compreendê-lo.
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Esta investigação tem sido feita, pelo menos, desde o tempo dos filósofos gregos.
Os cientistas no CERN procuram os
pedaços mais pequenos da matéria, e
estudam, como é que estes constroem o
nosso mundo.
Eureka!
Ar
Fogo
Terra
No século 19, os químicos identificaram os átomos de muitos
elementos.
Recentemente, os físicos já
encontraram partículas ainda mais
pequenas no interior do átomo.
Eureka!
Eureka!
6
Água
Nós já aprendemos bastante mas, ainda há muitas
perguntas sem resposta. São essas respostas que os
cientistas do CERN procuram.
Emissão de luz
Senhoras e senhores:
No início do século
XX, os cientistas
aperceberam-se
de que a nuvem
de partículas
(nuvem
electrónica) que
existe no exterior
dos átomos é
a responsável,
por quase todo o
comportamento
da matéria.
O electrão!
Sou a partícula que
dá origem à …
À electricidade
À electrónica
Às propriedades
mecânicas
À química
E agora …
Então, descobriuse que o minúsculo
núcleo que está no
centro dos átomos, de
diâmetro menor que,
a milionésima parte
de uma milionésima de
centímetro, contém
outras partículas
chamadas protões e
neutrões.
o núcleo!
Nós somos a origem de todas as
formas de energia nuclear e, alguns
de nós, somos usados; na medicina,
na indústria e na agricultura.
Mas agora, também descobriram que
nós, o neutrão e o protão,
contemos peças ainda
mais pequenas.
7
Descobriram-se muitas partículas …
… e estudou-se as suas propriedades.
Descobrimos que as partículas podem
ter carga eléctrica.
É bastante estranho, mas podes apanhar numa gota de água,
mil milhões de milhões de milhões de partículas como eu; os
cientistas no CERN, necessitam de grandes e complicados
equipamentos para averiguar como eu sou.
Muitas delas parecem girar
como piões.
Temos visto partículas pesadas com
propriedades insólitas, chamadas: Charm
(encanto), Bottom (fundo), Top(topo) e
Strangeness (estranheza)
Top
Bottom
Charm
Strangeness
8
As partículas, podem-se classificar
em famílias de acordo com as suas
propriedades.
Mas se descobrimos
tantas partículas
com todas essas
propriedades tão raras,
será que estaremos
realmente a aprender
como funciona o nosso
Universo?
Os membros de cada família comportam-se
todos da mesma maneira.
Como poderemos
pôr ordem nesta
confusão?
E por que é que se comportam de igual maneira os
membros da mesma família?
Porque dentro delas existem
outras partículas menores,
que lhes dizem como se devem
comportar …
Por exemplo, num protão
descobriu-se umas partículas
pequeníssimas a que chamamos
quarks.
9
Com os quarks constroem-se partículas como os protões e os neutrões, e com estes, constroem-se os núcleos que, juntos com os electrões, dão lugar aos átomos.
Será que encontrámos como é feito o nosso Universo?
Electrão
Quark
Eureka?
Núcleo
Átomo
Não, de forma nenhuma. Ao estudar os
quarks, descobrimos que existem mais coisas
do que as necessárias para formar átomos.
10
Protão
Porque existirão esses “fulanos” a mais, se não fazem falta
para construir o nosso mundo?
Haverá mais alguma coisa dentro
dos quarks? E nos electrões?
Temos ainda muitas perguntas sem
resposta!
A mais conhecida é a força electromagnética que junta o nosso conhecimento sobre o
magnetismo …
Ao estudar
estas partículas,
constituintes de
toda a matéria,
julga-se que
todo o seu
comportamento
é controlado por
diferentes tipos
de forças.
No entanto, há uma força, chamada de
“forte” cem vezes mais forte.
Cheio de
força!
… e a electricidade, como no caso dos electrões, (de
carga negativa) que se mantêm ligados à volta do núcleo
(de carga positiva) para formar os átomos.
Muito atractivo
Que mantém unidos os protões e os
neutrões nos núcleos.
E também há, uma força “fraca”
menos intensa que as outras!
O neutrão, quando se desintegra, dá origem a
outras partículas. A desintegração do neutrão
é uma forma de radioactividade.
Pobre neutrão
tão fraco!
11
Já compreendemos como se comportam as
partículas quando sujeitas à influência de forças
electromagnéticas
A comunicação, estabelece-se, quando outra
partícula recebe um destes fotões.
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Os electrões, negativos, comunicam com os
protões, positivos, para formar átomos …
… utilizando partículas mensageiras, chamadas fotões
que todas as partículas carregadas emitem em todas as
direcções.
A permuta de fotões mantém unidas as partículas carregadas, tal como acontece com as bolas de um malabarista. Este,
apesar de trocar as bolas consegue mantê-las juntas.
A força forte, mantém unidos os núcleos e, prende fortemente os quarks dentro dos protões, de tal
maneira que, ainda não foi possível retirar um quark sem que ele traga consigo partículas mensageiras.
Por isso, as partículas mensageiras que
transportam a força forte chamam-se gluões (do
inglês “glue”, cuja tradução é cola).
Há outra força bem
conhecida, a força
gravítica, que nos
mantêm sobre a Terra
e, por sua vez, a Terra
ligada ao Sol.
No entanto, o efeito da
força gravítica sobre as
partículas mais pequenas, é
tão insignificante que podemos
ignorá-la.
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A força fraca, que desintegra os neutrões,
parece ser muito misteriosa.
Isto aplica-se também a umas partículas muito
difíceis de apanhar chamadas neutrinos
Grandes quantidades de neutrinos
escapam em todas direcções
provenientes das reacções existentes no
Sol e noutras estrelas.
A interacção dos neutrinos com as outras partículas, é de tal
forma fraca que estas podem atravessar a Terra sem dificuldade.
Neste momento, estás sendo atravessado por milhões e milhões
de neutrinos.
Enquanto as estrela brilharem, estas irão produzir neutrinos e a
força fraca actuará.
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Agora que os conhecemos
melhor, poderemos
produzi-los e estudá-los no
CERN.
Na década 1970, os cientistas deram um grande avanço para a compreensão do comportamento
das partículas.
Isto é muito surpreendente, porque a força fraca é mesmo,
muito fraca.
Lá se vai um neutrino!
Conseguiram uma teoria única para explicar conjuntamente a força electromagnética e a força fraca.
Esta descoberta permitiu a dois cientistas do CERN ganhar
o prémio Nobel, em 1984.
A nova teoria foi
confirmada no CERN
através da grande
descoberta das
partículas mensageiras
pesadas, chamadas W
e Z, que transportam a
força fraca, da mesma
maneira que os fotões
transportam a força
electromagnética.
Sou fraco
15
Este mundo das partículas e o seu comportamento são estudados no CERN …
… e descritos pelos físicos em diagramas matemáticos
O grande sonho dos cientistas do CERN, é um dia serem capazes de compreender todas estas coisas complicadas e traduzi-las em poucas e simples leis.
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Tijolos e argamassa da Natureza
Partículas fundamentais da matéria
Quarks
up
down
1ª geração
Leptões
charm
top
strange
2ª
botton
3ª
electrão
neutrino do electrão
1ª geração
muão
neutrino do muão
2ª
tau
neutrino – tau
3ª
a matéria normal é constituída por partículas da primeira geração-as mais leves. As partículas mais pesadas são produzidas e estudadas em laboratórios como o CERN
e as partículas que interactuam entre elas
Gravitões – que se prevê
serem transportadores
das interacções
gravitacionais- ainda não
foram encontrados.
fotões que transportam a
interacção electromagnética
As partículas W e Z transportam
interacção fraca …
… e os gluões que
transportam a interacção
forte.
17
Capítulo 2
Os Aceleradores
Mais de 7000 cientistas de centros de investigação de todo o mundo participam nas experiências do CERN
Pode-se fazer com que estas partículas
de alta energia choquem umas contra
as outras …
Vêm para usar as grandes máquinas do
laboratório, onde as partículas são aceleradas até
altas energias.
… e o resultado das suas colisões pode ser visto nos grandes detectores de partículas
Tudo isto para estudar como se
comportam as partículas mais
pequenas
21
Também, quanto maiores são as
energias das partículas aceleradas, mais
profundamente elas podem penetrar na
matéria
Se houver suficiente energia numa colisão,
pode-se criar novas partículas, já que a matéria
e a energia se podem inter-relacionar (E=mc2)
A quantidade de energia das
partículas aceleradas é bastante
pequena. O que conta é a sua
concentração.
22
Assim como o peso de um elefante não tem grandes efeitos
quando se distribui sobre uma grande superfície …
Nos aceleradores do
CERN, fabricam-se
e estudam-se novas
partículas e, assim, os
cientistas procuram
mais a fundo no
interior da estrutura
da matéria.
… mas tem um efeito drástico ao concentrar-se sobre um
alfinete.
A maior parte dos aceleradores não
são muito grandes ou fora do comum.
Muitos de nós temos um em casa
Um televisor tem quase todas as características básicas das máquinas do CERN: uma
fonte de partículas e meios para acelerar, guiá-las e detecta-las
E os campos electromagnéticos
aceleram estes …
Libertam-se electrões aquecendo
um filamento metálico …
E guiando-os …
A minha imagem é feita com
electrões acelerados.
… sendo
detectados
quando chocam com os
ecrãs do televisor
Eu tenho tido um pequeno CERN em
casa todo este tempo!!
23
As partículas são aceleradas
porque têm carga eléctrica.
Por exemplo, um electrão que passa entre
duas peças metálicas ligadas a uma bateria
de 1,5 V …
Os grandes aceleradores funcionam assim:
Terminamos com
altas energias
Somos
injectados
a baixas
energias
Viajamos no vazio
para não chocarmos
com as moléculas do
ar
… é empurrado do terminal negativo para
o terminal positivo
Com este pequeno “ponta-pé”,
a energia do electrão aumenta
1,5 electrões- volt(eV)
Nos aceleradores do
CERN, estes” pontapés” são repetidos …
… milhões de
vezes para
alcançar
altas energias
24
Em cada volta, os campos
eléctricos dão-nos um “ponta-pé”para
aumentar a nossa energia
os ímanes conduzem-nos por
uma trajectória circular e
assim, voltamos para receber outro
“ponta pé”
O primeiro acelerador do CERN usava protões. Era do tipo
“sincrociclotrão”, usado principalmente para estudar o núcleo.
Os protões resultam dos átomos de
hidrogénio aos quais foram retirados os
electrões através de campos eléctricos
gerados no centro da máquina …
… seguindo uma trajectória curva no campo do íman circular
da máquina.
… transformando-o em interessantes formas
Os electrões movem-se em espiral à medida que foram adquirindo
acelaração em cada volta, até que alcançam uma energia de 600
milhões de electrovoltes (600 MeV)
Esta energia é suficiente para alterar
um núcleo …
25
Com o sincrociclotrão iniciou-se um programa de investigação
que continua até hoje no CERN, chamado ISOLDE. No ISOLDE
transforma-se o chumbo em ouro.
Isso permite obter nova informação acerca
do núcleo, de modo semelhante ao de um
botânico que recolhe dados sobre diferentes
híbridos de uma planta.
26
Mas, infelizmente em quantidades
muito pequenas. São outros núcleos que
interessam aos cientistas do CERN.
Alguns destes novos núcleos, chamados isótopos, usam-se na indústria,
na medicina, e na agricultura …
Os núcleos podem ser estudados em condições
extremas, como as que ocorrem quando se
introduzem partículas, a mais, dentro deles
… e o conhecimento de como
se unem os núcleos entre
si serve para explicar a
formação das estrelas
Em 1959, o CERN pôs em funcionamento o que então era o
acelerador de maior energia do mundo, uma máquina de 28 mil
milhões de electrão volt (28 GeV) chamado sincrotrão de
protões
Os protões do sincrotrão atingem quase a velocidade
da luz e a sua “massa relativa” aumenta até ser quase
trinta vezes maior que em repouso
O sincrotrão de protões foi uma máquina com muito êxito, utilizada em centenas de experiências e chegou a acelerar mil vezes mais protões do que o esperado.
Agora acelera partículas de vários tipos que passam por outras máquinas.
Todos a bordo do sincrotrão de
protões!
27
No sincrotrão de protões, os cientistas descobriram que
por vezes um neutrino podia colidir com um protrão e
sair como neutrino umas vezes e outras vezes como
sendo outra partícula.
Isto confirma a nossa teoria do electromagnetismo
28
Essa foi a primeira indicação de que as interacções
fracas e as electromagnéticas seguem as mesmas
regras.
Noutras experiências mediu-se o pequeno campo
magnético de umas partículas chamadas muões, com
uma precisão de poucas partes por milhão.
As experiências no sincrotrão de protões têm sido a
fonte de muitas partículas, o que tem aumentado o nosso
conhecimento sobre este mundo das partículas
Para poder penetrar mais
profundamente no conhecimento da
matéria, o CERN construiu um super
sincrotrão de protões que entrou em
funcionamento em 1976, alcançando
energias de 400 GeV
Dispara feixes de
protões com altas
energias contra
alvos tais como
peças de metal
Esta máquina tem sete quilómetros de circunferência, e cruza a
fronteira franco – suíça
Os ímanes podem
seleccionar um tipo
determinado de partículas
entre todas as que saem
Ela está instalada num túnel a 40 metros
de profundidade de modo a não perturbar o
ambiente.
E estas podem chocar
com os protões num
grande volume de
hidrogénio ou de outro
material.
As partículas resultantes
podem ser detectadas e
analisadas
29
O acelerador proporciona feixes de altas
energia e intensidade … Por exemplo,
feixe de neutrinos
Alguns dos estudos mais precisos sobre o
comportamento dos neutrinos foram feitos
por esta máquina
Também se realizaram experiências que mostram que os quarks dos núcleos se
comportam de forma diferente dos quarks em partículas independentes
O super sincrotrão de protões já acelerou núcleos, por exemplo de chumbo, até se
alcançar energias enormes, com a esperança de libertar quarks e gluões de um estado
semelhante à “sopa” de partículas que pode ter existido pouco depois do aparecimento
do Universo.
Os estudos desta “sopa” continuarão na nova
máquina do CERN: o LHC, Grande Colisionador
de Hadrões.
30
Quando se fazem colidir feixes de altas
energias, passa a haver mais energia
disponível para criar ou transformar
partículas.
Quando os protões provenientes do super protão sincrotrão colidem com um alvo estacionário, sucede algo parecido com o que
se passa numa mesa de bilhar; após o choque das bolas, a maior parte da energia vai para o movimento das bolas.
A colisão de feixes é semelhante à de duas bolas de bilhar quando chocam uma
com a outra; toda a energia da colisão está disponível para produzir fenómenos
interessantes
Porém, é necessário armazenar
muitas partículas por cada feixe,
caso contrário, as colisões seriam
pouco prováveis, como ocorre com
dois disparos simultâneos em armas
de caça os “Chumbinhos”passam uns
através de outros
As primeiras colisões intensas, entre feixes
de protões, foram produzidas, no CERN, em
1971 numa máquina célebre: ISR, anéis de
armazenamento interceptados.
31
Os colisionadores de feixes são
mais baratos se for possível fazer
com que as partículas viajem em
sentidos opostos, num só anel de
ímanes
As antipartículas são criaturas estranhas.Parecem ser iguais às
partículas, só que têm propriedades opostas.
O truque está em enviar partículas para um lado
e, antipartículas para outro; os campos eléctricos
que empurram os protões num sentido puxam os
antiprotões em sentido contrário.
Podemos imaginar um mundo global que seria o
contrário do nosso, com átomos feitos de antielectrões
(chamados de positrões) com antiprotões e antineutrões
nos núcleos.
Foi feita a previsão de existência
de antimatéria em 1928, e
foram descobertas as primeiras
antipartículas cinco anos mais tarde.
A previsão foi feita com base em equações
matemáticas que tinham duas soluções:
uma para a matéria e outra para a
antimatéria.
32
O positrão foi a
primeira antipartícula
a ser descoberta.
Esta partícula foi
encontrada quando se
observava, no topo de
um edifício alto, os raios
cósmicos.
Ao juntar-se a matéria e a antimatéria, dá-se uma explosão dando lugar a energia.
Se um homem pudesse dar a mão a um antihomem, o resultado seria catastrófico.
Actualmente as antipartículas fazem-se de uma maneira rotineira. A partir
da colisão de um feixe de partículas contra um alvo. Quer as partículas quer as
antipartículas emergem.
No início do Universo, no Big Bang, matéria e antimatéria
formaram-se em quantidades iguais. No entanto,
a natureza preferiu a matéria. Para saber porquê,
necessitamos de estudar a antimatéria
33
Não é fácil juntar suficientes
antiprotões num feixe para
colidirem contra protões.
Produziram-se muitos feixes
desordenados de antiprotões
a partir de um alvo.
Depois estes foram conduzidos por campos magnéticos para um
anel especial.
No entanto, no CERN
inventou-se uma forma
de o fazer.
Observa-se o seu
comportamento num
ponto do anel …
34
… e a informação envia-se para
outro ponto, para que os campos
eléctricos os possam ordenar.
Depois de várias horas, milhões e milhões de antiprotões são colocados,
formando um feixe organizado.
Depois desta invenção, foi possível ao CERN, fazer colidir
os protões e os antiprotões no super sincrotrão de
protões.
Isto deu-nos, a nós, cientistas, a esperança de
compreender todos os fenómenos da mesma maneira.
Eles tinham, suficiente energia combinada para produzirem partículas W e Z, confirmando a junção dos fenómenos
eléctrico, magnético e radioactivo.
O super sincrotrão de protões, já não se usa
como colisionador. Agora, o CERN utiliza os
seus antiprotões em experiências de muito
baixa energia …
… por exemplo, capturando antiprotões e
positrões em garrafas magnéticas e misturandoos para conseguir átomos de antihidrógeno.
35
Os cientistas têm que fazer um esforço de imaginação para
decidir quais as máquinas de que irão necessitar para as suas
investigações nos próximos anos.
Presentemente les podem escolher entre colisionadores de electrões e de positrões, os quais dão colisões
simples mas são mais difíceis de elevar a altas energias,
… ou os colisionadores de protões, que permitem as altas energias mas que têm a complicação de muitos
quarks e gluões. O CERN está a construir uma máquina deste tipo o LHC, o grande colisionador de Hadrões.
Em 1989, o CERN pôs em funcionamento
o LEP, o maior colisionador de electrões e
positrões do mundo.
36
… para investigar a matéria em
condições que nunca antes se havia
conseguido.
… instalado em túnel de uns quatro metros de diâmetro, perfurado com uma precisão de um centímetro num anel de
27 km de circunferência.
O LEP encontra-se a dezenas de metros abaixo dos
campos franceses e suíços,
Os aceleradores de protões do CERN já existentes
foram modificados para injectarem electrões e
positrões no LEP
37
Durante a construção do LEP, foram desenvolvidas novas tecnologias, incluindo o uso de betão,
para separar lâminas de ferro de imanes, de campos magnéticos baixos
Para absorver moléculas de gás, mantendo-as afastadas das partículas
circulantes, utilizou-se na câmara de vácuo, mais de 20 km de um material,
a “cinta captadora”, que também é utilizada nos aparelhos de televisão
… e as cavidades supercondutoras aceleram as partículas no seu
percurso.
Ímanes especiais
concentram as
partículas em feixes
concentrados …
38
A construção do LEP, que foi o maior instrumento científico do mundo, com os seus milhares de complexos componentes de alta tecnologia, é um triunfo para a industria e
tecnologia europeias.
quatro grandes detectores de partículas,
conhecidos como ALEPH, DELPHI, OPAL e
L3,estudaram as colisões de electrõespositrões às mais altas energias nunca
alcançadas.
39
Uma vez completa a tarefa do LEP, serão utilizados ímanes mais potentes para guiar protões e núcleos atómicos, em vez de electrões e positrões, em volta do anel de 27 km, no
novo Grande Colisionador de Hadrões, o LHC
40
Para produzir o campo magnético serão necessárias
intensidades de corrente eléctrica muito elevadas.
Um cabo muito fino de um supercondutor utilizado nos
ímanes transporta tanta corrente como todos estes cabos
em cobre.
Para construir o LHC a
tecnologia tem sido forçada
ao limite. Os novos ímanes
curvos aceleradores serão os
mais poderosos que já se fez.
A supercondutividade é um fenómeno a baixa
temperatura de modo que todos os ímanes
serão arrefecidos por um superfluido de hélio
líquido a cerca de
–271ºC
Uma linha de distribuição
com um projecto especial
transportará líquido criogénico
à volta do anel.
E para assegurar que não há nada no
caminho dos feixes de partículas
o vácuo no interior do
acelerador será de melhor
qualidadedo que no espaço.
41
… e os detectores
No passado, os físicos estudaram as partículas usando
os detectores de partículas chamados câmara de bolhas
e fotografavam as marcas do percurso deixadas pelas
partículas.
Uma câmara de bolhas, estava cheia de um líquido muito frio e a uma pressão muito
elevada.
As fotografias mostravam então, as
linhas formadas pelas bolhas, revelando
onde as partículas estiveram.
Quando as partículas passavam através da câmara, a pressão do
líquido baixava e este entrava em ebulição.
Formavam-se bolhas ao longo do percurso das partículas
que aqueceram o líquido
45
Aqui estão duas imagens típicas de uma
câmara de bolhas
A maior câmara de
bolhas foi chamada
de BEBCC - The Big
European Bubble
Chamber (a grande
câmara de bolhas
europeia)
Continha 40 000
litros de hidrogénio
líquido arrefecido
à temperatura de
–247ºC
Nesta fotografia, uma
partícula sem carga não
deixa rasto, converte-se num
electrão e num positrão, cujos
rastos são visíveis.
Esta é uma fotografia histórica obtida em 1973, contém a primeira
evidência indirecta das partículas Z.
Baixando este pistão, baixa
a pressão, permitindo a
formação de bolhas.
46
A câmara estava
envolvida por um poderoso
supercondutor magnético que
produzia um elevado campo
magnético, encurvando
o percurso das partículas
carregadas
Os detectores modernos, como
os do LEP, são electrónicos e
maiores que uma casa.
A informação vinda de uma só
colisão é equivalente à de uma lista
telefónica
Rodeiam o ponto de colisão
das partículas
Registam as direcções de saída das
partículas e medem a sua energia.
Grandes ímanes encurvam as trajectórias das
partículas revelando qual a carga eléctrica que têm.
Para recolher e analisar toda
a informação são necessários
grandes computadores
47
Cortinas de fios são a base de muitos detectores de partículas
Várias técnicas são usadas
para detectar partículas,
tais como, marcar as mais
pequenas perturbações
eléctricas causadas por
estas, no seu trajecto e em
resultado da ruptura dos
átomos.
O espaço entre os fios é preenchido por
gás
… os quais vão ser detectados pelo próximo fio,
dizendo aos cientistas onde é que a partícula
passou.
E os fios estão com alta
voltagem
Quando uma partícula atravessa
esta câmara- de- fios,”parte” os
átomos de gás provocando pequenos
distúrbios eléctricos …
Para grande precisão, alguns detectores usam chips de silicone como os das
máquinas digitais para gravar os rastos deixados pelas partículas
Outra técnica é medir a energia que a
partícula perde nas suas colisões com
as outras partículas,ao
longo do seu caminho
Os aparelhos que medem esta energia são
chamados de calorímetros
48
Sofisticados dispositivos electrónicos controlam
o disparo dos detectores quando há uma colisão
importante, Assim, os cientistas não têm de
estar sempre presentes
Num grande detector, a região da colisão está rodeada
por cortinas de fios, calorímetros e outros detectores
para observar os resultados
Toda a informação produzida por estes detectores é
analisada por computadores
O inventor dos detectores
electrónicos no CERN foi
galardoado com o prémio Nobel
em
1992
Estes detectores aplicam-se por exemplo em hospitais.
49
Esta imagem mostra o rasto deixado por uma partícula. Resulta de uma das
primeiras colisões no LEP em 1989. Os círculos brancos, são o limite exterior do
detector, os azuis, são os rastos das partículas e, as caixas, representam a energia
registada nos calorímetros
Nesta, a partícula Z, sofreu um decaimento em duas partículas W, que, por sua
vez, decaíram ficando dois quarks. O que se vê no detector são quatro”jactos” de
partículas distintos
50
Nesta imagem, uma partícula Z, criada numa colisão, originou um electrão e um
positrão, por decaimento. As linhas vermelhas, mostram o detector, as azuis e verdes,
os rastos do electrão e do positrão, e as caixas a respectiva energia.
Esta imagem mostra uma das mais elevadas colisões
energéticas no LEP. Foi registada em 2000. Criou
uma grande expectativa porque poderia ter sido a
percursora de uma nova descoberta
Um dos detectores do LHC, é tão grande
como um prédio de seis andares
O que equivale a uns 800 milhões de
listas de telefone.
No seu interior têm lugar
uns 800 milhões de colisões
individuais protão- protão,
em cada segundo
As colisões protão-protão no
LHC permitirão aos cientistas
estudar as condições
… que existiam
quando o
Universo
nasceu.
Os detectores do sucessor do LEP, o LHC, tornam minúsculos os detectores do LEP
51
Analisar todos estes dados é
um grande desafio
A quantidade de dados produzidos por
segundo é suficiente para encher uma
pilha de CD-ROM, com uma altura,
várias vezes maior que a Torre Eiffel
Sofisticados dispositivos electrónicos
foram desenvolvidos para filtrar e registar
dados …
Mesmo retirando aquilo que não
interessa, ainda resta muito para
analisar todos os anos
… para analisa-los, um novo conceito de trabalhar
em rede, chamado “Grid”está a ser desenvolvido, com
a “Grid” os cientistas terão uma
forte ferramenta informática de
acesso aos
dados …
Cientistas de todo o mundo serão
envolvidos
E de uma maneira tão fácil como acender uma lâmpada
52
Este aparente conceito familiar contém ainda um mistério no
que diz respeito às partículas fundamentais.
Se os electrões fossem mais leves,
seríamos muito maiores …
Uma das mais
importantes questões que
o Grande Colisionador de
Hadrões abordará, será a
estrutura da matéria e o
mistério da massa.
Se os electrões não tivessem massa não
existíamos
As massas ainda são muito importantes …
… e se fossem mais pesados
seríamos muito mais
pequenos
E se as partículas W
e Z fossem menos
pesadas que os
electrões, o Sol podia
não ter o tempo
suficiente para a
formação da vida
inteligente
Como vês, perceber a massa das partículas é na verdade
muito importante
53
Matéria e antimatéria foram criadas em iguais
quantidades no Big Bang
mas, agora, toda a antimatéria parece ter desaparecido, as
experiências no LHC tentarão saber porquê
A massa não é a única
questão que o LHC irá
tratar esclarecer
Com os telescópios só conseguimos ver um
décimo da matéria no Universo. O que se
passa com os restantes 90% de “ matéria
Escura”, ninguém sabe.
54
Talvez uma “supersimetria” que junte a
matéria e as partículas mensageira possa
explicar o que é.
Num outro novo projecto, o CERN fará disparar um feixe de neutrinos
para o laboratório de Gran Sasso, na Itália, para saber mais sobre
estas partículas elusivas.
Capítulo 3
A organização do CERN
À sua maneira, os cientistas têm que lutar para
decidir quem usa as máquinas do CERN.
Não há nada de secreto nas experiências e,
todos os resultados são publicados
Apresentam as suas ideias à comissões que
aceitam ou rejeitam as experiências
Não têm nada que ver com
as aplicações da energia
nuclear.
Para construir e manipular os grandes detectores,
assim como, executar as experiências, pode ser
necessária a colaboração de centenas de cientistas
É investigação pura, sobre a natureza do Universo
que nos rodeia.
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No início da década de 1950, cientistas e políticos europeus decidiram criar
um grande laboratório de Física para manter a elevada qualidade dos físicos,
na Europa e, ao mesmo tempo manter unidos os países que se encontravam
divididos pela guerra.
Começou por ser “O Conselho
Europeu para a Investigação
Nuclear”, de onde provêm as
siglas CERN
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A convenção assinada em 1953
estabeleceu a organização.
Em 2000, o CERN tinha 20 estados membros: Alemanha, Áustria, Bélgica, Bulgária,
Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Grécia, Holanda, Hungria, Itália, Noruega, Polónia,
Portugal, Reino Unido, República Checa, República Eslovaca, Suécia e Suiça
A máxima autoridade do CERN é o Conselho, que normalmente se reúne duas vezes por ano, no qual, cada estado membro está representado por um cientista e um funcionário de
administração científica
Independentemente da sua dimensão, cada país
tem o mesmo peso nas votações do Conselho.
É o Conselho quem autoriza a maioria dos novos e grandes projectos ou melhoramentos nas instalações de investigação.
Também vota o orçamento do CERN e nomeia o Director Geral do laboratório
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O Conselho é ajudado nas suas
tarefas por duas Comissões.
A comissão de Política Científica, que controla o
desenvolvimento científico do laboratório
Esta, é constituída por cientistas seleccionados pelo seu
reconhecido valor científico, independentemente do seu país de
origem.
A Comissão Financeira controla o
desenvolvimento financeiro do CERN.
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É constituída por especialistas financeiros de cada Estado
Membro
A administração do Laboratório é conduzida
pelo Director Geral
A proporção com que cada estado membro
contribui para o CERN está de acordo com o seu
rendimento interno bruto.
O orçamento anual, corresponde
a uma contribuição de cerca de
dois francos suíços, por ano e
por habitante, de cada Estado
Membro.
A indústria europeia calcula que, em média, por cada franco suíço de negócios
com o CERN, se produz uns três francos suíços, na criação de novos negócios.
O CERN trabalha com a Indústria Europeia com a moderna tecnologia de ponta incluindo a electrónica, comunicações, vácuo, informática, meteorologia, engenharia civil,
supercondutividade, tecnologia de aceleradores e detecção de partículas. Foram os cientistas do CERN que inventaram a World Wide Web.
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Tudo isto acontece num lugar bonito perto de Genebra, na
Suíça.
O laboratório é facilmente acessível
para os cientistas que vão fazer as
suas experiências
Além disso, devido ao aumento das suas máquinas, o CERN estendeu-se ao “Pays
de Gex”, em França. É o único laboratório do mundo que cruza fisicamente uma
fronteira.
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Genebra recebe assim, muitas organizações internacionais
e, está bem apetrechada para as receber
Milhares de cientistas de estados não membros, sentem-se
também atraídos pelas inigualáveis instalações de investigação do
laboratório. O CERN, é um triunfo da ciência internacional
Hoje em dia, contribuem para o
CERN vários estados que não são
membros: Canadá, os Estados
Unidos, a Índia, Israel, Japão e
Rússia
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É necessário para a investigação em física de partículas que todos os que trabalham no CERN sejam especialistas em muitas áreas. Assim, pode-se dividir estes trabalhadores em
quatro categorias.
Mais de um terço, são cientistas e
engenheiros
Cerca de 7000 pessoas trabalham no CERN.
Destas, cerca de 2000 é pessoal do CERN, os
restantes estão de passagem para as suas
investigações.
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Um quarto, são técnicos ou
desenhadores.
Um quarto, são operários
Quase todos os trabalhadores são
provenientes dos estados membros … mas,
não por quotas nacionais.
E restos são administrativos
E, entre esta gente toda, ninguém ainda me compreendeu … no
entanto continuam a tentar
E com isto nos despedimos
Esperamos que tenham gostado, do mundo das partículas, tal como nós. Temos
ainda muito que aprender, para aumentar o conhecimento humano e o seu
controlo do seu meio ambiente …
À nossa saúde!
FIM!
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Os autores, desejam exprimir o
seu agradecimento, ao falecido
professor Leon van Hove, a quem
se deve a ideia deste album.
Publicado pela primeira vez em 1978
Edição Janeiro de 2001
Tradução portuguesa: Manuela Alves Moreira do Amaral, em 2005
Produzido: CERN Desktop Publishing
Trabalho fotográfico do CERN
Organização Europeia para a Investigação Nuclear
Laboratório Europeu de Física de Partículas
http://www.cern.ch/